(57)【要約】  本発明のモータは、磁極数をＰとする永久磁石を有するロータと、永久磁石に空隙を介して対向するように周方向にＭ個のティースを配置したステータとを備える。ステータは、Ｍ個のティースを備えたステータコアと、ティースそれぞれに巻回した巻線とを含む。そして、磁極数Ｐとティース数Ｍの関係を（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、ただしＭ≠Ｐとし、かつ、ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）を、０．１８＜ｔ１／ＤＳ＜０．２５としている。
2011118214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極数をＰとする永久磁石を有するロータと、前記永久磁石に空隙を介して対向するように周方向にＭ個のティースを配置したステータとを備えたモータであって、
前記ステータは、前記Ｍ個のティースを備えたステータコアと、前記ティースそれぞれに巻回した巻線とを含み、
前記磁極数Ｐと前記ティース数Ｍとの関係を、
（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとし、
ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）を、
０．１８＜（ｔ１／ＤＳ）＜０．２５としたことを特徴とするモータ。
【請求項２】
前記ステータコアは、複数の磁性薄板を厚さ方向に積層して構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記ティースに巻回されている巻線は、占積率が６０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項４】
前記ステータは樹脂でモールドされていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項５】
前記永久磁石は、リング磁石であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項６】
前記永久磁石は、希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項７】
前記永久磁石は周方向に表面磁束波形が略矩形上に着磁されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のモータを搭載したことを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石を備えたブラシレスモータであるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
各ティースに集中巻線が施されている永久磁石ブラシレスモータは、家電機器、音響機器、情報機器、運輸機器等に広く使われている。この種のモータにおいては、永久磁石とティースとの間の磁気吸引力によるトルク脈動すなわちコギングトルクが発生するため、振動・騒音が問題となる。【０００３】
このため、従来、極数とティース数の組み合わせの最適化、スキュー、磁石の正弦波着磁等により、コギングトルクを低減し、低振動・低騒音が図られている。例えば、特許文献１には、極数Ｐとティース数Ｍとの関係をＰ：Ｍ＝１０：１２とすることにより、コギングトルクを低減させる方法が開示されている。また、特許文献２では、極数Ｐとティース数Ｑとの関係をＰ／Ｑ＞０．８、かつティース先端の幅ｂｔ１と極ピッチτｐとの関係をｂｔ１／τｐ≦０．８とすることにより、トルクリップル低減させる方法が開示されている。また、特許文献３では、極数とティース数との比率が３：４のモータにおいて、ティース幅を電気角１４５〜１６５度、８５〜１０５度とすることで、出力トルクを減少させずにコギングトルクを小さくする方法が開示されている。また、特許文献４では、ロータ表面に配置する磁石の形状を、磁極中心部分の肉厚を厚くして、磁極間に向かって徐々に厚みを薄くする形状としている。特許文献４は、このような形状とすることにより、ロータ表面の磁束密度の分布を正弦波に近づけ、コギングトルク等を低減させ、低振動・低騒音を図っている。また、特許文献５では、磁石形状を調整する代わりに磁石を略正弦波着磁して、表面磁束波形が痩せた正弦波形状、および、境界近傍領域における表面磁束が略零値となるように着磁している。特許文献５は、このように着磁することにより、コギングトルク等を低減させ、低振動・低騒音を図っている。【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術では、騒音・振動に関連するコギングトルクやトルクリップルをある程度低減するにとどまり、モータ効率については特に考慮されていなかった。例えば、家電分野のエアコン用ファンモータのように、低騒音・低振動はもちろん、高効率の要求が年々高まっている用途には、従来の技術では十分でないという課題があった。また、特許文献４のような磁石の形状を調整することは、製造が難しくなり、しかも、大きな磁束密度を得るためには、磁石の厚みを大きくする必要があり、磁石の使用量が増加してコストが上がるという課題があった。また、特許文献５のような着磁手法では、磁極境界部付近の磁石は、不完全着磁状態となる。このため、磁石の磁力を有効に活用できず、モータ効率が低下するという課題があった。【０００５】
また、従来のエアコンファンモータでは、モータ効率と生産性向上のため、分割コアを連結した連結型分割コアが使用されている。このような構造は、巻線ノズルの通過スペースを無駄なく使えるため、整列巻線が可能であり、高密度化巻線ができる。したがって、巻数増加によるトルクの向上などが可能となり、モータの銅損を低減し、モータ効率を向上できる。しかしながら、上記構造においては、分割された部位を接合した際に、微小な隙間が存在することになり、隙間ギャップとなり、トルクが低下するという課題があった。また、分割コアを合体する際、分割コアの加工精度、組立誤差などにより、分割コアの内径に形状誤差が発生する。そのため、ステータとロータの間のギャップが不均一となり、磁気的変化が大きくなり、振動・騒音が大きくなるという課題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２９５４５５２号公報
【特許文献２】特開２００１−１５７４２８号公報
【特許文献３】特開平８−３２２１６７号公報
【特許文献４】特開平６−２１７４７８号公報
【特許文献５】特開２００３―１１１３６０号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明のモータは、磁極数をＰとする永久磁石を有するロータと、永久磁石に空隙を介して対向するように周方向にＭ個のティースを配置したステータとを備えたモータである。ステータは、Ｍ個のティースを備えたステータコアと、ティースそれぞれに巻回した巻線とを含む。そして、磁極数Ｐとティース数Ｍとの関係を（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとし、さらに、ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）を０．１８＜（ｔ１／ＤＳ）＜０．２５としている。
【０００８】
このような構成により、コギングトルクを低減するとともに、コストの増加と効率の低下なしに、低振動・低騒音・高効率のモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１におけるモータを説明する図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１におけるモータのステータコアを説明する図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１におけるモータと比較例であるモータとのコギングトルクの比較を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１におけるモータの効率と比（ｔ１／ＤＳ）との関係の解析結果を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１における永久磁石の表面磁束波形を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２における電気機器の一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ１０を説明する図である。図１では、回転軸の長手方向から見た断面を示している。本実施の形態ではインナロータ型のブラシレスモータの一例を挙げて説明する。
【００１２】
図１に示すように本実施の形態のモータ１０は、ステータ１１とロータ２０とを備えている。ステータ１１は、ステータコア１２に巻線１３を巻回している。ロータ２０は、このステータ１１の内周側に回転自在に配置される。
【００１３】
ステータコア１２は、環状のヨーク１４と、ヨーク１４から内周側に突出し、それぞれが等間隔で周方向に配置された複数のティース１５とを含む。ティース１５のそれぞれの先端部には、周方向に広がったティース幅広部１５ａを形成している。また、ヨーク１４からの内周側において、隣接するティース１５間にスロット１６とする開口部が形成される。このスロット１６の開口スペースを利用して、それぞれのティース１５に巻線１３が巻回される。図１では、１つのティース１５のみの巻線１３を示しているが、具体的には、各ティースに巻線１３が集中的に巻回されて、例えば、一般的にＵ、Ｖ、Ｗ相と呼ばれる３相の巻線が形成されている。本実施の形態では、ティース１５の数、すなわちスロット１６の数を１２個とした例を挙げている。
【００１４】
また、本実施の形態では、ステータコア１２を、従来の連結型分割コアではなく、ステータ一体コア構造としている。さらに、ステータコア１２は、複数の磁性薄板を厚さ方向に積層して構成している。このような構成とすることにより、分割部位の隙間ギャプがなくなるため、トルク低下がなく、分割コアより出力が大きくなる。本実施の形態では、このようなステータ一体コア構造の利点を利用して、モータ効率の向上を図っている。また、分割コアによる内径段差などの製造誤差の影響が大幅低減するため、実際のコギングトルクが小さくなり、モータの高効率化・低騒音化・低振動化を図っている。
【００１５】
ロータ２０は、Ｓ極とＮ極とが交互に等間隔で周方向に配置されるように、複数の磁極数の永久磁石２２をロータコア２１の外周に保持する。ロータ２０は、永久磁石２２を磁極ごとに個々に保持、あるいは円筒状のリング磁石を保持するように構成されている。ロータ２０は、ティース１５の内周側に所定の空隙を介して、ティース１５と永久磁石２２とが対向するように配置されている。本実施の形態では、永久磁石２２による磁極の数を１０極とした例を挙げている。
【００１６】
そして、ロータ２０が、ロータコア２１を介して回転軸２４に連結され、ステータ１１に対面して周方向に回転するように、回転軸２４を回転中心として回転自在に保持されている。以上のように、本実施の形態のモータ１０は、磁極数Ｐを１０極、ティース数Ｍを１２とした、１０極１２ティースの構成である。
【００１７】
このような構成において、ステータ１１の巻線１３に交流電流を印加すると、永久磁石２２とティース１５との間に磁気による吸引力と反発力が生じる。この吸引力と反発力によって、ロータ２０は、回転軸２４を中心に回転する。
【００１８】
次に、本実施の形態のステータコア１２の詳細な構成について説明する。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態におけるステータコア１２を説明する図である。図２に示すように、本実施の形態では、ステータコア１２の内径であるステータ内径ＤＳと、ティース１５先端のティース幅広部１５ａの周方向幅であるティース先端部幅ｔ１とが、所定の関係を満たすようにそれぞれの大きさを規定している。具体的には、本発明では、ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）が、０．１８＜（ｔ１／ＤＳ）＜０．２５となるようにしている。すなわち、比（ｔ１／ＤＳ）が０．１８よりも大きく、かつ０．２５よりも小さくなるような範囲内となるように設定している。
【００２０】
次に、本実施の形態の詳細について説明する。本発明は、上述したように、コギングトルクを小さくするとともに、モータの効率低下も抑制したモータの提供を目的としている。
【００２１】
そこで、まず、コギングトルクを小さくするため、モータ１０の構成を、磁極数を１０極、ティース数を１２とした、１０極１２ティースの構成としている。コギングトルクは、無通電時のトルク脈動で、ステータのスロットとロータとの間のパーミアンス（磁気抵抗の逆数）変化で発生し、1回転当りのスロット数と磁極数との最小公倍数となる。すなわち、この最小公倍数が大きいと1回の脈動のパーミアンス変化が小さくなるから、最小公倍数が大きいほどコギングトルクが小さくなる。本実施の形態では、最小公倍数が大きくなるように、１０極１２ティースの構成（最小公倍数は６０）を選択し、これによって、コギングトルクを小さく抑えている。
【００２２】
なお、本実施の形態では、１０極１２ティースの構成例を挙げて説明するが、磁極数Ｐとティース数Ｍとの関係において、（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとしてもよく、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００２３】
図３は、本実施の形態のモータ１０と比較例であるモータとのコギングトルクの比較を示す図である。図３において、本実施の形態としては、１０極１２ティースの構成のモータ１０である。比較例としては、８極１２ティースの構成（最小公倍数は２４）のモータである。そして、図３は、ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）を横軸とし、比（ｔ１／ＤＳ）を変化させたときのコギングトルクの振幅を縦軸として、比（ｔ１／ＤＳ）とコギングトルク振幅との関係の解析計算結果を示している。図３では、比（ｔ１／ＤＳ）を０．１６から０．２６まで変化させたときのコギングトルクを示している。なお、ここでの比較例のような８極１２ティースの構成は、従来、一般的にエアコン用ファンモータのブラシレスモータとして使われている。
【００２４】
図３から明らかなように、本実施の形態のモータ１０の比（ｔ１／ＤＳ）と比較例のモータの比（ｔ１／ＤＳ）とが同一値のとき、本実施の形態によるモータ１０のコギングトルクが、比較例のモータのコギングトルクより小さいことがわかる。また、比（ｔ１／ＤＳ）を０．１６から０．２６まで変化させたとき、比較例のモータのコギングトルクが約４倍変化するのに対して、本実施の形態によるモータ１０のコギングトルクは約２倍変化する。エアコン用ファンモータにおいては、一般的にコギングトルクが約２ｍＮｍ以下なら、コギングトルクによる騒音は実用上ほぼ問題ないということから、比（ｔ１／ＤＳ）＞０．１７５であることが特に好ましいことがわかる。それに対して、比（ｔ１／ＤＳ）のほぼ同じ範囲（０．１７５＜（ｔ１／ＤＳ）＜０．２５）で、比較例のモータのコギングトルクが２ｍＮｍより大きくなり、比（ｔ１／ＤＳ）が０．１９付近で約５倍悪化することがわかる。すなわち、比較例のモータでは、比（ｔ１／ＤＳ）のほぼ同じ範囲（０．１７５＜（ｔ１／ＤＳ）＜０．２５）での低振動・低騒音の実現が困難である。
【００２５】
以上の比較より、１０極１２ティースの構成とすることによって、コギングトルクの少ないモータを構成することができる。さらに、本実施の形態のモータ１０のような１０極１２ティースの構成の場合、コギングトルクによる影響を低減するには、比（ｔ１／ＤＳ）が０．１７５を超えるように構成することが好ましい。
【００２６】
次に、本実施の形態において、モータの効率低下を抑制した構成について説明する。
【００２７】
一般的に、モータの効率を低下させる要因としては、銅損と鉄損とによる損失が知られている。
【００２８】
まず、銅損Ｗｃｕは、電流Ｉの２乗の値と抵抗値Ｒと比例関係にある。具体的には、銅損Ｗｃｕと電流Ｉおよび抵抗値Ｒとの関係は、Ｗｃｕ＝ＲＩ２で表される。そうすると、銅損Ｗｃｕは、同じ銅線を使用する場合には、電流Ｉの２乗の値が変化する場合に変化する。また、モータのトルクＴは、簡易的には磁束量Φと電流Ｉと比例関係にある。ここで、ティース幅広部１５ａの幅を広くすると、永久磁石２２に対する対向面積が増えて、ステータコア１２への磁束量Φが大きくなる。そうすると、トルクＴが同トルクである場合には、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど、モータの電流Ｉは小さくなる。このため、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど、銅損Ｗｃｕも小さくなる。
【００２９】
次に、鉄損Ｗｆｅは、磁束密度Ｂと回転数ｆと比例関係にある。そうすると、鉄損Ｗｆｅは、同じ回転数ｆである場合には、磁束密度Ｂの値が変化する場合に変化する。ここで、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど磁束を取り込みやすくなり、磁束密度Ｂが大きくなる。そして、鉄損Ｗｆｅは磁束密度Ｂと比例関係にあるため、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど鉄損Ｗｆｅも大きくなる。
【００３０】
モータの効率は、このような銅損と鉄損とを総合した損失に依存する。すなわち、損失で考えると、ティース幅広部１５ａの幅が狭いときには銅損による損失が支配的であり、ティース幅広部１５ａの幅が広いときには鉄損による損失が支配的となる。
【００３１】
本実施の形態では、ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）が所定の範囲内となるように、ステータ内径ＤＳおよびティース先端部幅ｔ１の大きさを規定している。すなわち、ステータ内径ＤＳを大きくすると、ロータ２０の径も大きくでき、永久磁石２２からステータコア１２への磁束量も大きくなるとともに、ティース先端部幅ｔ１も大きくできる。このため、ステータ内径ＤＳを大きくすれば、ティース幅広部１５ａの永久磁石対向面積を増やすことができ、上述の銅損を抑制することができる。一方、ステータ内径ＤＳを大きくするのに合わせて、ティース先端部幅ｔ１も大きくしていくと、ステータコア１２への磁束密度が大きくなり上述の鉄損が増加することになる。このことより、比（ｔ１／ＤＳ）を適切に設定することにより、銅損および鉄損のそれぞれを抑えて、モータの効率を最適にすることが可能となる。
【００３２】
図４は、本実施の形態のモータ１０において、モータの効率と比（ｔ１／ＤＳ）との関係の解析結果を示す図である。図４からわかるように、比（ｔ１／ＤＳ）が０．２１５付近において、最高効率となる。そして、その最高点を境にして、比（ｔ１／ＤＳ）が小さくなるに従ってモータ効率が低下し、比（ｔ１／ＤＳ）が大きくなるに従ってもモータ効率の値が低下している。
【００３３】
一般的には、効率競争の激しいエアコン用ファンモータにおいて、モータ効率の値が０．２％以上を低下するとかなり大きな性能低下であることが知られている。つまり、本実施の形態においては、モータ効率の低下が最高効率から０．２％以内となる（０．１８＜ｔ１／ＤＳ＜０．２５）の範囲は、特に好ましいことがわかる。
【００３４】
以上、本実施の形態では、１０極１２ティースの構成とすることで、コギングトルクを小さく抑えている。さらに、比（ｔ１／ＤＳ）が０．１８よりも大きく、かつ０．２５よりも小さくなるような範囲内に設定し、モータ効率の低下を抑制している。
【００３５】
なお、ティース１５に巻回されている巻線１３は、占積率が６０％以上であることが好ましい。すなわち、ステータ１１に巻回されている巻線１３はスロット面積に対する巻線の占積率を６０％以上とすることで、同じ形状の分割コアモータと同等以上のモータ効率が実現できる。
【００３６】
さらに、モータ１０のステータ１１は、樹脂でモールドされていることが好ましい。すなわち、モータ１０のステータ１１を樹脂でモールドすることにより、ステータ全体の剛性を高め、モータの共振振動を低減し、モータのさらなる高効率化・低騒音化・低振動化を図ることができる。
【００３７】
また、本実施の形態では、永久磁石２２として円筒状のリング磁石を保持するような構成例を挙げて説明したが、これに限定されるものでなく他の形状の磁石、例えばセグメント磁石であってもよい。ただし、リング磁石はロータが単一磁石で構成されるため、磁石固定が容易で信頼性が高く、また組立コストの低減が可能である。さらに、磁極間の寸法誤差や、組立誤差などによる磁気アンバランスが少ないため、複数のセグメント磁石を使用するよりも、低コストで低騒音・低振動のモータを提供することができる。このため、永久磁石はリング状磁石であることが好ましい。
【００３８】
また、永久磁石２２は、希土類ボンド磁石であることが好ましい。永久磁石２２を、希土類ボンド磁石とすることにより、焼結フェライト磁石より磁力が強いため、出力の向上ができ、モータの小型高効率化を図ることができる。
【００３９】
また、永久磁石２２は、周方向に表面磁束波形が略矩形上に着磁されていることが好ましい。すなわち、図５に示すように、永久磁石２２に対して、周方向に表面磁束波形を略矩形上に着磁することで、略正弦波着磁より磁束量を多めに取り込めるため、磁石の磁力を有効に活用でき、さらにモータの高効率化を図ることができる。
【００４０】
また、上記構成のモータを電気機器に搭載することより、電気機器は、低振動・低騒音・高効率化の実現が可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本発明のモータは、磁極数Ｐとティース数Ｍとの関係を（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとしている。これによって、モータのコギングトルクが低くなるような構成としている。さらに、本発明のモータは、ステータ内径ＤＳに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤＳ）を、０．１８＜（ｔ１／ＤＳ）＜０．２５としている。これによって、モータの効率化を図っている。このように、本発明は、コギングトルクを小さくするとともに、モータの効率低下が少ない高効率なモータを実現している。
【００４２】
（実施の形態２）
本発明にかかる電気機器の例として、まず、空調機の室内機の構成を実施の形態２として、詳細に説明する。
【００４３】
図６において、室内機２１０の筐体２１１内にはモータ２０１が搭載されている。そのモータ２０１の回転軸にはクロスフローファン２１２が取り付けられている。モータ２０１は駆動装置２１３によって駆動される。駆動装置２１３からの通電により、モータ２０１が回転し、それに伴いクロスフローファン２１２が回転する。そのクロスフローファン２１２の回転により、室内機用熱交換器（図示せず）によって空気調和された空気を室内に送風する。ここで、モータ２０１は、例えば、上記実施の形態１のモータ１０が適用できる。
【００４４】
本発明の電気機器は、モータと、そのモータが搭載された筐体とを備え、モータとして上記構成の本発明のモータを採用したものである。
【００４５】
なお、上述の説明では、本発明にかかる電気機器の実施例として、空調機の室内機に搭載されるモータを取り上げたが、その他、空調機の室外機、給湯器や洗濯機などのモータとしても適用でき、また、各種情報機器に搭載されるモータや、産業機器に使用されるモータにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係るモータは、コギングトルクを低減するとともに効率の低下を抑えることができ、これにより、低振動・低騒音・高効率のモータを提供することができるため、家電製品などの低振動・低騒音・高効率が求められる用途に適している。
【符号の説明】
【００４７】
１０，２０１    モータ
１１    ステータ
１２    ステータコア
１３    巻線
１４    ヨーク
１５    ティース
１５ａ    ティース幅広部
１６    スロット
２０    ロータ
２１    ロータコア
２２    永久磁石
２４    回転軸
２１０    室内機
２１１    筐体
２１２    クロスフローファン
２１３    駆動装置
【図１】
2011118214.tif 000003
【図２】
2011118214.tif 000004
【図３】
2011118214.tif 000005
【図４】
2011118214.tif 000006
【図５】
2011118214.tif 000007
【図６】
2011118214.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月28日(2012.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石を備えたブラシレスモータであるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
各ティースに集中巻線が施されている永久磁石ブラシレスモータは、家電機器、音響機器、情報機器、運輸機器等に広く使われている。この種のモータにおいては、永久磁石とティースとの間の磁気吸引力によるトルク脈動すなわちコギングトルクが発生するため、振動・騒音が問題となる。
【０００３】
このため、従来、極数とティース数の組み合わせの最適化、スキュー、磁石の正弦波着磁等により、コギングトルクを低減し、低振動・低騒音が図られている。例えば、特許文献１には、極数Ｐとティース数Ｍとの関係をＰ：Ｍ＝１０：１２とすることにより、コギングトルクを低減させる方法が開示されている。また、特許文献２では、極数Ｐとティース数Ｑとの関係をＰ／Ｑ＞０．８、かつティース先端の幅ｂｔ１と極ピッチτｐとの関係をｂｔ１／τｐ≦０．８とすることにより、トルクリップル低減させる方法が開示されている。また、特許文献３では、極数とティース数との比率が３：４のモータにおいて、ティース幅を電気角１４５〜１６５度、８５〜１０５度とすることで、出力トルクを減少させずにコギングトルクを小さくする方法が開示されている。また、特許文献４では、ロータ表面に配置する磁石の形状を、磁極中心部分の肉厚を厚くして、磁極間に向かって徐々に厚みを薄くする形状としている。特許文献４は、このような形状とすることにより、ロータ表面の磁束密度の分布を正弦波に近づけ、コギングトルク等を低減させ、低振動・低騒音を図っている。また、特許文献５では、磁石形状を調整する代わりに磁石を略正弦波着磁して、表面磁束波形が痩せた正弦波形状、および、境界近傍領域における表面磁束が略零値となるように着磁している。特許文献５は、このように着磁することにより、コギングトルク等を低減させ、低振動・低騒音を図っている。
【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術では、騒音・振動に関連するコギングトルクやトルクリップルをある程度低減するにとどまり、モータ効率については特に考慮されていなかった。例えば、家電分野のエアコン用ファンモータのように、低騒音・低振動はもちろん、高効率の要求が年々高まっている用途には、従来の技術では十分でないという課題があった。また、特許文献４のような磁石の形状を調整することは、製造が難しくなり、しかも、大きな磁束密度を得るためには、磁石の厚みを大きくする必要があり、磁石の使用量が増加してコストが上がるという課題があった。また、特許文献５のような着磁手法では、磁極境界部付近の磁石は、不完全着磁状態となる。このため、磁石の磁力を有効に活用できず、モータ効率が低下するという課題があった。
【０００５】
また、従来のエアコンファンモータでは、モータ効率と生産性向上のため、分割コアを連結した連結型分割コアが使用されている。このような構造は、巻線ノズルの通過スペースを無駄なく使えるため、整列巻線が可能であり、高密度化巻線ができる。したがって、巻数増加によるトルクの向上などが可能となり、モータの銅損を低減し、モータ効率を向上できる。しかしながら、上記構造においては、分割された部位を接合した際に、微小な隙間が存在することになり、隙間ギャップとなり、トルクが低下するという課題があった。また、分割コアを合体する際、分割コアの加工精度、組立誤差などにより、分割コアの内径に形状誤差が発生する。そのため、ステータとロータの間のギャップが不均一となり、磁気的変化が大きくなり、振動・騒音が大きくなるという課題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２９５４５５２号公報
【特許文献２】特開２００１−１５７４２８号公報
【特許文献３】特開平８−３２２１６７号公報
【特許文献４】特開平６−２１７４７８号公報
【特許文献５】特開２００３−１１１３６０号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明のモータは、磁極数をＰとする永久磁石を有するロータと、永久磁石に空隙を介して対向するように周方向にＭ個のティースを配置したステータとを備えたモータである。ステータは、Ｍ個のティースを備えたステータコアと、ティースそれぞれに巻回した巻線とを含む。そして、磁極数Ｐとティース数Ｍとの関係を（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとし、さらに、ステータ内径ＤSに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤS）を０．１８＜（ｔ１／ＤS）＜０．２５としている。
【０００８】
このような構成により、コギングトルクを低減するとともに、コストの増加と効率の低下なしに、低振動・低騒音・高効率のモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１におけるモータを説明する図
【図２】本発明の実施の形態１におけるモータのステータコアを説明する図
【図３】本発明の実施の形態１におけるモータと比較例であるモータとのコギングトルクの比較を示す図
【図４】本発明の実施の形態１におけるモータの効率と比（ｔ１／ＤS）との関係の解析結果を示す図
【図５】本発明の実施の形態１における永久磁石の表面磁束波形を示す図
【図６】本発明の実施の形態２における電気機器の一例の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ１０を説明する図である。図１では、回転軸の長手方向から見た断面を示している。本実施の形態ではインナロータ型のブラシレスモータの一例を挙げて説明する。
【００１２】
図１に示すように本実施の形態のモータ１０は、ステータ１１とロータ２０とを備えている。ステータ１１は、ステータコア１２に巻線１３を巻回している。ロータ２０は、このステータ１１の内周側に回転自在に配置される。
【００１３】
ステータコア１２は、環状のヨーク１４と、ヨーク１４から内周側に突出し、それぞれが等間隔で周方向に配置された複数のティース１５とを含む。ティース１５のそれぞれの先端部には、周方向に広がったティース幅広部１５ａを形成している。また、ヨーク１４からの内周側において、隣接するティース１５間にスロット１６とする開口部が形成される。このスロット１６の開口スペースを利用して、それぞれのティース１５に巻線１３が巻回される。図１では、１つのティース１５のみの巻線１３を示しているが、具体的には、各ティースに巻線１３が集中的に巻回されて、例えば、一般的にＵ、Ｖ、Ｗ相と呼ばれる３相の巻線が形成されている。本実施の形態では、ティース１５の数、すなわちスロット１６の数を１２個とした例を挙げている。
【００１４】
また、本実施の形態では、ステータコア１２を、従来の連結型分割コアではなく、ステータ一体コア構造としている。さらに、ステータコア１２は、複数の磁性薄板を厚さ方向に積層して構成している。このような構成とすることにより、分割部位の隙間ギャプがなくなるため、トルク低下がなく、分割コアより出力が大きくなる。本実施の形態では、このようなステータ一体コア構造の利点を利用して、モータ効率の向上を図っている。また、分割コアによる内径段差などの製造誤差の影響が大幅低減するため、実際のコギングトルクが小さくなり、モータの高効率化・低騒音化・低振動化を図っている。
【００１５】
ロータ２０は、Ｓ極とＮ極とが交互に等間隔で周方向に配置されるように、複数の磁極数の永久磁石２２をロータコア２１の外周に保持する。ロータ２０は、永久磁石２２を磁極ごとに個々に保持、あるいは円筒状のリング磁石を保持するように構成されている。ロータ２０は、ティース１５の内周側に所定の空隙を介して、ティース１５と永久磁石２２とが対向するように配置されている。本実施の形態では、永久磁石２２による磁極の数を１０極とした例を挙げている。
【００１６】
そして、ロータ２０が、ロータコア２１を介して回転軸２４に連結され、ステータ１１に対面して周方向に回転するように、回転軸２４を回転中心として回転自在に保持されている。以上のように、本実施の形態のモータ１０は、磁極数Ｐを１０極、ティース数Ｍを１２とした、１０極１２ティースの構成である。
【００１７】
このような構成において、ステータ１１の巻線１３に交流電流を印加すると、永久磁石２２とティース１５との間に磁気による吸引力と反発力が生じる。この吸引力と反発力によって、ロータ２０は、回転軸２４を中心に回転する。
【００１８】
次に、本実施の形態のステータコア１２の詳細な構成について説明する。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態におけるステータコア１２を説明する図である。図２に示すように、本実施の形態では、ステータコア１２の内径であるステータ内径ＤSと、ティース１５先端のティース幅広部１５ａの周方向幅であるティース先端部幅ｔ１とが、所定の関係を満たすようにそれぞれの大きさを規定している。具体的には、本発明では、ステータ内径ＤSに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤS）が、０．１８＜（ｔ１／ＤS）＜０．２５となるようにしている。すなわち、比（ｔ１／ＤS）が０．１８よりも大きく、かつ０．２５よりも小さくなるような範囲内となるように設定している。
【００２０】
次に、本実施の形態の詳細について説明する。本発明は、上述したように、コギングトルクを小さくするとともに、モータの効率低下も抑制したモータの提供を目的としている。
【００２１】
そこで、まず、コギングトルクを小さくするため、モータ１０の構成を、磁極数を１０極、ティース数を１２とした、１０極１２ティースの構成としている。コギングトルクは、無通電時のトルク脈動で、ステータのスロットとロータとの間のパーミアンス（磁気抵抗の逆数）変化で発生し、１回転当りのスロット数と磁極数との最小公倍数となる。すなわち、この最小公倍数が大きいと１回の脈動のパーミアンス変化が小さくなるから、最小公倍数が大きいほどコギングトルクが小さくなる。本実施の形態では、最小公倍数が大きくなるように、１０極１２ティースの構成（最小公倍数は６０）を選択し、これによって、コギングトルクを小さく抑えている。
【００２２】
なお、本実施の形態では、１０極１２ティースの構成例を挙げて説明するが、磁極数Ｐとティース数Ｍとの関係において、（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとしてもよく、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００２３】
図３は、本実施の形態のモータ１０と比較例であるモータとのコギングトルクの比較を示す図である。図３において、本実施の形態としては、１０極１２ティースの構成のモータ１０である。比較例としては、８極１２ティースの構成（最小公倍数は２４）のモータである。そして、図３は、ステータ内径ＤSに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤS）を横軸とし、比（ｔ１／ＤS）を変化させたときのコギングトルクの振幅を縦軸として、比（ｔ１／ＤS）とコギングトルク振幅との関係の解析計算結果を示している。図３では、比（ｔ１／ＤS）を０．１６から０．２６まで変化させたときのコギングトルクを示している。なお、ここでの比較例のような８極１２ティースの構成は、従来、一般的にエアコン用ファンモータのブラシレスモータとして使われている。
【００２４】
図３から明らかなように、本実施の形態のモータ１０の比（ｔ１／ＤS）と比較例のモータの比（ｔ１／ＤS）とが同一値のとき、本実施の形態によるモータ１０のコギングトルクが、比較例のモータのコギングトルクより小さいことがわかる。また、比（ｔ１／ＤS）を０．１６から０．２６まで変化させたとき、比較例のモータのコギングトルクが約４倍変化するのに対して、本実施の形態によるモータ１０のコギングトルクは約２倍変化する。エアコン用ファンモータにおいては、一般的にコギングトルクが約２ｍＮｍ以下なら、コギングトルクによる騒音は実用上ほぼ問題ないということから、比（ｔ１／ＤS）＞０．１７５であることが特に好ましいことがわかる。それに対して、比（ｔ１／ＤS）のほぼ同じ範囲（０．１７５＜（ｔ１／ＤS）＜０．２５）で、比較例のモータのコギングトルクが２ｍＮｍより大きくなり、比（ｔ１／ＤS）が０．１９付近で約５倍悪化することがわかる。すなわち、比較例のモータでは、比（ｔ１／ＤS）のほぼ同じ範囲（０．１７５＜（ｔ１／ＤS）＜０．２５）での低振動・低騒音の実現が困難である。
【００２５】
以上の比較より、１０極１２ティースの構成とすることによって、コギングトルクの少ないモータを構成することができる。さらに、本実施の形態のモータ１０のような１０極１２ティースの構成の場合、コギングトルクによる影響を低減するには、比（ｔ１／ＤS）が０．１７５を超えるように構成することが好ましい。
【００２６】
次に、本実施の形態において、モータの効率低下を抑制した構成について説明する。
【００２７】
一般的に、モータの効率を低下させる要因としては、銅損と鉄損とによる損失が知られている。
【００２８】
まず、銅損Ｗｃｕは、電流Ｉの２乗の値と抵抗値Ｒと比例関係にある。具体的には、銅損Ｗｃｕと電流Ｉおよび抵抗値Ｒとの関係は、Ｗｃｕ＝ＲＩ2で表される。そうすると、銅損Ｗｃｕは、同じ銅線を使用する場合には、電流Ｉの２乗の値が変化する場合に変化する。また、モータのトルクＴは、簡易的には磁束量Φと電流Ｉと比例関係にある。ここで、ティース幅広部１５ａの幅を広くすると、永久磁石２２に対する対向面積が増えて、ステータコア１２への磁束量Φが大きくなる。そうすると、トルクＴが同トルクである場合には、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど、モータの電流Ｉは小さくなる。このため、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど、銅損Ｗｃｕも小さくなる。
【００２９】
次に、鉄損Ｗｆｅは、磁束密度Ｂと回転数ｆと比例関係にある。そうすると、鉄損Ｗｆｅは、同じ回転数ｆである場合には、磁束密度Ｂの値が変化する場合に変化する。ここで、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど磁束を取り込みやすくなり、磁束密度Ｂが大きくなる。そして、鉄損Ｗｆｅは磁束密度Ｂと比例関係にあるため、ティース幅広部１５ａの幅が広いほど鉄損Ｗｆｅも大きくなる。
【００３０】
モータの効率は、このような銅損と鉄損とを総合した損失に依存する。すなわち、損失で考えると、ティース幅広部１５ａの幅が狭いときには銅損による損失が支配的であり、ティース幅広部１５ａの幅が広いときには鉄損による損失が支配的となる。
【００３１】
本実施の形態では、ステータ内径ＤSに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤS）が所定の範囲内となるように、ステータ内径ＤSおよびティース先端部幅ｔ１の大きさを規定している。すなわち、ステータ内径ＤSを大きくすると、ロータ２０の径も大きくでき、永久磁石２２からステータコア１２への磁束量も大きくなるとともに、ティース先端部幅ｔ１も大きくできる。このため、ステータ内径ＤSを大きくすれば、ティース幅広部１５ａの永久磁石対向面積を増やすことができ、上述の銅損を抑制することができる。一方、ステータ内径ＤSを大きくするのに合わせて、ティース先端部幅ｔ１も大きくしていくと、ステータコア１２への磁束密度が大きくなり上述の鉄損が増加することになる。このことより、比（ｔ１／ＤS）を適切に設定することにより、銅損および鉄損のそれぞれを抑えて、モータの効率を最適にすることが可能となる。
【００３２】
図４は、本実施の形態のモータ１０において、モータの効率と比（ｔ１／ＤS）との関係の解析結果を示す図である。図４からわかるように、比（ｔ１／ＤS）が０．２１５付近において、最高効率となる。そして、その最高点を境にして、比（ｔ１／ＤS）が小さくなるに従ってモータ効率が低下し、比（ｔ１／ＤS）が大きくなるに従ってもモータ効率の値が低下している。
【００３３】
一般的には、効率競争の激しいエアコン用ファンモータにおいて、モータ効率の値が０．２％以上を低下するとかなり大きな性能低下であることが知られている。つまり、本実施の形態においては、モータ効率の低下が最高効率から０．２％以内となる（０．１８＜ｔ１／ＤS＜０．２５）の範囲は、特に好ましいことがわかる。
【００３４】
以上、本実施の形態では、１０極１２ティースの構成とすることで、コギングトルクを小さく抑えている。さらに、比（ｔ１／ＤS）が０．１８よりも大きく、かつ０．２５よりも小さくなるような範囲内に設定し、モータ効率の低下を抑制している。
【００３５】
なお、ティース１５に巻回されている巻線１３は、占積率が６０％以上であることが好ましい。すなわち、ステータ１１に巻回されている巻線１３はスロット面積に対する巻線の占積率を６０％以上とすることで、同じ形状の分割コアモータと同等以上のモータ効率が実現できる。
【００３６】
さらに、モータ１０のステータ１１は、樹脂でモールドされていることが好ましい。すなわち、モータ１０のステータ１１を樹脂でモールドすることにより、ステータ全体の剛性を高め、モータの共振振動を低減し、モータのさらなる高効率化・低騒音化・低振動化を図ることができる。
【００３７】
また、本実施の形態では、永久磁石２２として円筒状のリング磁石を保持するような構成例を挙げて説明したが、これに限定されるものでなく他の形状の磁石、例えばセグメント磁石であってもよい。ただし、リング磁石はロータが単一磁石で構成されるため、磁石固定が容易で信頼性が高く、また組立コストの低減が可能である。さらに、磁極間の寸法誤差や、組立誤差などによる磁気アンバランスが少ないため、複数のセグメント磁石を使用するよりも、低コストで低騒音・低振動のモータを提供することができる。このため、永久磁石はリング状磁石であることが好ましい。
【００３８】
また、永久磁石２２は、希土類ボンド磁石であることが好ましい。永久磁石２２を、希土類ボンド磁石とすることにより、焼結フェライト磁石より磁力が強いため、出力の向上ができ、モータの小型高効率化を図ることができる。
【００３９】
また、永久磁石２２は、周方向に表面磁束波形が略矩形上に着磁されていることが好ましい。すなわち、図５に示すように、永久磁石２２に対して、周方向に表面磁束波形を略矩形上に着磁することで、略正弦波着磁より磁束量を多めに取り込めるため、磁石の磁力を有効に活用でき、さらにモータの高効率化を図ることができる。
【００４０】
また、上記構成のモータを電気機器に搭載することより、電気機器は、低振動・低騒音・高効率化の実現が可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本発明のモータは、磁極数Ｐとティース数Ｍとの関係を（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとしている。これによって、モータのコギングトルクが低くなるような構成としている。さらに、本発明のモータは、ステータ内径ＤSに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤS）を、０．１８＜（ｔ１／ＤS）＜０．２５としている。これによって、モータの効率化を図っている。このように、本発明は、コギングトルクを小さくするとともに、モータの効率低下が少ない高効率なモータを実現している。
【００４２】
（実施の形態２）
本発明にかかる電気機器の例として、まず、空調機の室内機の構成を実施の形態２として、詳細に説明する。
【００４３】
図６において、室内機２１０の筐体２１１内にはモータ２０１が搭載されている。そのモータ２０１の回転軸にはクロスフローファン２１２が取り付けられている。モータ２０１は駆動装置２１３によって駆動される。駆動装置２１３からの通電により、モータ２０１が回転し、それに伴いクロスフローファン２１２が回転する。そのクロスフローファン２１２の回転により、室内機用熱交換器（図示せず）によって空気調和された空気を室内に送風する。ここで、モータ２０１は、例えば、上記実施の形態１のモータ１０が適用できる。
【００４４】
本発明の電気機器は、モータと、そのモータが搭載された筐体とを備え、モータとして上記構成の本発明のモータを採用したものである。
【００４５】
なお、上述の説明では、本発明にかかる電気機器の実施例として、空調機の室内機に搭載されるモータを取り上げたが、その他、空調機の室外機、給湯器や洗濯機などのモータとしても適用でき、また、各種情報機器に搭載されるモータや、産業機器に使用されるモータにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係るモータは、コギングトルクを低減するとともに効率の低下を抑えることができ、これにより、低振動・低騒音・高効率のモータを提供することができるため、家電製品などの低振動・低騒音・高効率が求められる用途に適している。
【符号の説明】
【００４７】
１０，２０１  モータ
１１  ステータ
１２  ステータコア
１３  巻線
１４  ヨーク
１５  ティース
１５ａ  ティース幅広部
１６  スロット
２０  ロータ
２１  ロータコア
２２  永久磁石
２４  回転軸
２１０  室内機
２１１  筐体
２１２  クロスフローファン
２１３  駆動装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極数をＰとする永久磁石を有するロータと、前記永久磁石に空隙を介して対向するように周方向にＭ個のティースを配置したステータとを備えたモータであって、
前記ステータは、前記Ｍ個のティースを備えたステータコアと、前記ティースそれぞれに巻回した巻線とを含み、
前記磁極数Ｐと前記ティース数Ｍとの関係を、
（２／３）Ｍ＜Ｐ＜（４／３）Ｍ、かつＭ≠Ｐとし、
ステータ内径ＤSに対するティース先端部幅ｔ１の比（ｔ１／ＤS）を、
０．１８＜（ｔ１／ＤS）＜０．２５としたことを特徴とするモータ。
【請求項２】
前記ステータコアは、複数の磁性薄板を厚さ方向に積層して構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記ティースに巻回されている巻線は、占積率が６０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項４】
前記ステータは樹脂でモールドされていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項５】
前記永久磁石は、リング磁石であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項６】
前記永久磁石は、希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項７】
前記永久磁石は周方向に表面磁束波形が略矩形上に着磁されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のモータを搭載したことを特徴とする電気機器。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011118214.tif 000009
【図２】
2011118214.tif 000010
【図３】
2011118214.tif 000011
【図４】
2011118214.tif 000012
【図５】
2011118214.tif 000013
【図６】
2011118214.tif 000014
【国際調査報告】
2011118214.tif 000015
2011118214.tif 000016
2011118214.tif 000017
2011118214.tif 000018